PHITS
Multi-Purpose Particle and Heavy Ion Transport code System
リニアックのモデリングと
放射化量の評価
2015年6月改訂
title
1
本実習の目標
ビーム標的やコリメーターなどの体系を作成して
リニアックのモデリングを行い、電子ビーム照射
時の放射化量をDCHAINプログラムを用いて評
価できるようになる。
リニアックをモデリングして作成した3次元体系(左図)と
DCHAINにより評価した求めた放射化量の時間変化(右図)
Purpose
2
実習内容
1.
2.
3.
4.
5.
6.
体系の確認
ビーム標的の設置
コリメーターの設置
フラットニングフィルターの設置
X線照射シミュレーション
DCHAINによる放射化量の評価
Table of contents
3
Linac.inp
初期インプットファイルの体系
Water
phantom
Electron
15 MeV
30 cm
約115 cm
30 cm
Input file
4
体系の確認
はじめに、このインプットファイルで構築している
3次元体系を描画機能を用いて把握しましょう。
Icntl=8としてPHITSを実行すると2つの[t-track]から2次
元平面図がそれぞれ出力され、 icntl=11として実行する
と[t-3dshow]の結果が出力されます。
[T-Track]
title = Track in xyz mesh
・・・・・・
axis = xz
file = track_xz.out
・・・・・・
[ T - 3Dshow ]
title = Geometry check using [T-3dshow]
file = 3dshow.out
・・・・・・
・・・・・・
・・・・・・
[T-Track]
title = Track in xyz mesh
・・・・・・
axis = xz
file = track_xz-target.out
・・・・・・
Geometry
5
体系の確認
track_xz.eps
3dshow.eps
拡大
水ファントム
track_xz-target.eps
Geometry
6
実習内容
1.
2.
3.
4.
5.
6.
体系の確認
ビーム標的の設置
コリメーターの設置
フラットニングフィルターの設置
X線照射シミュレーション
DCHAINによる放射化量の評価
Table of contents
7
課題1
金(Au)の組成をもつ直径1.1cm, 高さ0.2cmの円柱状のビーム
標的をx=0cm, y=0cm, z=-115cmの位置に作成してみましょう。
• [surface]セクションにおいて、2つの
平面(pz)と円柱側面(cz)を定義する
• [cell]セクションにおいて、2つのpz
とczを組み合わせて円柱形状を定
義し、組成を物質番号3とする領域
を設定する(密度は19.3 g/cm3)
track_xz.eps(最終結果)
track_xz-target.eps
2つのpzの面とczの面で囲む
Gold target
1.1 cm
(半径0.55cm)
0.2 cm
設置場所を拡大したタリーで確認!
Target
8
課題1の答え合わせ
金(Au)の組成をもつ直径1.1cm, 高さ0.2cmの円柱状のビーム
標的をx=0cm, y=0cm, z=-115cmの位置に作成してみましょう。
[Cell]
1
1 -1.0 1 -2 3 -4 5 -6
2
2 -1.20e-3 #1 -999 #11
11
3 -19.3 11 -12 -13
999
-1
999
[Surface]
・・・・・・
11
pz -115.0
12
pz -115.0+0.2
13
cz 0.55
999
so 500.0
track_xz.eps
track_xz-target.eps
11, 12, 13の面で囲
んで形状を定義
(+とーに注意)
何処に、どの位の
大きさの物を作る
かを考えて面を定
義する
2つのpzの面とczの面で囲む
Gold target
1.1 cm
(半径0.55cm)
0.2 cm
設置場所を拡大したタリーで確認!
Target
9
実習内容
1.
2.
3.
4.
5.
6.
体系の確認
ビーム標的の設置
コリメーターの設置
フラットニングフィルターの設置
X線照射シミュレーション
DCHAINによる放射化量の評価
Table of contents
10
課題2
x=0cm, y=0cm, z=-95cmの位置に、直径20cmの穴の空いた直
径40cm,高さ6cmの円柱状のコリメーターを作成してみましょう。
track_xz.eps(最終結果)
• [surface]セクションにおいて、2つの平面
(pz)と2つの円柱側面(cz)を定義する
• [cell]セクションにおいて、2つのpzと2つの
czを組み合わせて穴の空いた円柱形状を
定義し、組成を物質番号5とする領域を設
定する(密度は17.0 g/cm3)
2つのpzの面と2つのczの面で囲む
Secondary collimator
20 cm
(半径10cm)
40 cm
(半径20cm)
6 cm
Collimator
11
課題2の答え合わせ
x=0cm, y=0cm, z=-95cmの位置に、直径20cmの穴の空いた直
径40cm,高さ6cmの円柱状のコリメーターを作成してみましょう。
[Cell]
1
1 -1.0 1 -2 3 -4 5 -6
2
2 -1.20e-3 #1 -999 #11 #21
11
3 -19.3 11 -12 -13
21
5 -17.0 21 -22 23 -24
999
-1
999
track_xz.eps
円柱側面の外側
は+、内側はー
[Surface
・・・・・・
21
pz
22
pz
23
cz
24
cz
999
so
]
-95.0
-95.0+6.0
10.0
20.0
500.0
2つのpzの面と2つのczの面で囲む
Secondary collimator
20 cm
(半径10cm)
40 cm
(半径20cm)
6 cm
Collimator
12
課題3
ビーム標的の2cm後ろ(水ファントム側)に、円錐状の穴の空いた
直径21cm,高さ5.5cmの円柱状のコリメーターを作成してみましょう。
track_xz.eps(最終結果)
• [surface]セクションにおいて、2つの平面(pz)と
円柱側面(cz)および円錐面(trc)を定義する
• [cell]セクションにおいて、2つのpzとczおよび
trcを組み合わせて円錐状の穴の空いた円柱
形状を定義し、組成を物質番号5とする領域を
設定する(密度は17.0 g/cm3)
Primary collimator
21 cm
(半径10.5cm)
5.5 cm
ここでは、
半径r1=2.5cm,
半径r2=1.0cm
とする
円錐状の穴は、マクロボディtrc
(カットされた円錐)を使用する
底面中心から
上面中心への
ベクトル
(hx hy hz)
半径r1
Collimator
半径r2
底面の中心の
座標(vx vy vz)
[Surface]
・・・・・・
33 trc vx vy vz hx hy hz r1 r2
13
課題3の答え合わせ
ビーム標的の2cm後ろ(水ファントム側)に、円錐状の穴の空いた
直径21cm,高さ5.5cmの円柱状のコリメーターを作成してみましょう。
track_xz.eps
Primary collimator
21 cm
(半径10.5cm)
5.5 cm
ここでは、
半径r1=2.5cm,
半径r2=1.0cm
とする
[Cell]
1
1 -1.0 1 -2 3 -4 5 -6
2
2 -1.20e-3 #1 -999 #11 #21 #31
・・・・・・
31
5 -17.0 31 -32 33 -34
底面の中心座標
999
-1
999
や底面と上面間
[Surface]
のベクトルを確認
・・・・・・
31
pz -115.0+2.0
32
pz -115.0+7.5
33
trc 0 0 (-115+7.5) 0 0 -5.5 2.5 1.0
34
cz 10.5
999
so 500.0
底面中心から
上面中心への
ベクトル
(hx hy hz)
半径r1
Collimator
半径r2
底面の中心の
座標(vx vy vz)
[Surface]
・・・・・・
33 trc vx vy vz hx hy hz r1 r2
14
実習内容
1.
2.
3.
4.
5.
6.
体系の確認
ビーム標的の設置
コリメーターの設置
フラットニングフィルターの設置
X線照射シミュレーション
DCHAINによる放射化量の評価
Table of contents
15
課題4
ビーム標的の10cm後ろ(水ファントム側)に、半径3.5cm,高さ1.5cm
の円錐状のフラットニングフィルターを配置してみましょう。
track_xz.eps(最終結果)
• [surface]セクションにおいて、円錐面(trc)を
定義する
• [cell]セクションにおいて、trcにより円錐形
状を定義し、組成を物質番号6 (銅: Cu)とす
る領域を設定する(密度は8.92 g/cm3)
円錐面は、マクロボディtrcにおいてr2を
微小な値とすることで用意する
Flattening filter
7 cm
(半径3.5cm)
1.5 cm
ここでは、
半径r1=3.5cm,
半径r2=1e-10cm
とする
底面中心から
上面中心への
ベクトル
(hx hy hz)
半径r1
Flattening filter
半径r2 =1-10
底面の中心の
座標(vx vy vz)
[Surface]
・・・・・・
41 trc vx vy vz hx hy hz r1 r2
16
課題4の答え合わせ
ビーム標的の10cm後ろ(水ファントム側)に、半径3.5cm,高さ1.5cm
の円錐状のフラットニングフィルターを配置してみましょう。
[Cell]
1
1 -1.0 1 -2 3 -4 5 -6
2
2 -1.20e-3 #1 -999 #11 #21 #31 #41
・・・・・・
41
6 -8.92 -41
r2を0とすると上手く
999
-1
999
いかないので注意
[Surface]
・・・・・・
41
trc 0 0 (-115+11.5) 0 0 -1.5 3.5 1e-10
999
so 500.0
track_xz.eps
Flattening filter
7 cm
(半径3.5cm)
1.5 cm
ここでは、
半径r1=3.5cm,
半径r2=1e-10cm
とする
底面中心から
上面中心への
ベクトル
(hx hy hz)
半径r1
Flattening filter
半径r2 =1-10
底面の中心の
座標(vx vy vz)
[Surface]
・・・・・・
41 trc vx vy vz hx hy hz r1 r2
17
実習内容
1.
2.
3.
4.
5.
6.
体系の確認
ビーム標的の設置
コリメーターの設置
フラットニングフィルターの設置
X線照射シミュレーション
DCHAINによる放射化量の評価
Table of contents
18
課題5
粒子輸送を行い、モデリングした3次元体系における
粒子の振る舞いがどうなるか確認してみましょう。
track_xz.eps
• [parameters]セクションにおいてicntl=0と
して輸送計算を実行する。
• 粒子フルエンスの空間分布をタリーした
結果であるtrack_xz.epsを見て、各粒子
(電子、光子、中性子)の振る舞いを確認
する。
線源である電子ビーム、そして、標的にビームが照射
させて発生したX線(光子)がどのような空間分布と
なっているかを見てみましょう。
また、フラットニングフィルターやコリメーターが果たし
ている役割についても確認しましょう。
Fluence
19
課題5の答え合わせ
粒子輸送を行い、モデリングした3次元体系における
粒子の振る舞いがどうなるか確認してみましょう。
track_xz.eps(1枚目)
電子のフルエンス
Au標的
15MeV電子線
Fluence
20
課題5の答え合わせ
粒子輸送を行い、モデリングした3次元体系における
粒子の振る舞いがどうなるか確認してみましょう。
track_xz.eps(2枚目)
光子のフルエンス
コリメーター
水ファントム
フラットニングフィルター
Fluence
21
課題5の答え合わせ
粒子輸送を行い、モデリングした3次元体系における
粒子の振る舞いがどうなるか確認してみましょう。
track_xz.eps(3枚目)
中性子のフルエンス
中性子はタリーされていない。しかし、本当に生成されないかどうかは、
統計量が十分な計算を行なって確認する必要がある。
Fluence
22
補足(統計量を上げた計算)
maxcas=1000, maxbch=1000とした場合の結果
track_xz.eps(3枚目)
中性子のフルエンス
統計量を上げると、15MeVの電子線の場合でも中性子が
発生することが確認できる。
Fluence
23
実習内容
1.
2.
3.
4.
5.
6.
体系の確認
ビーム標的の設置
コリメーターの設置
フラットニングフィルターの設置
X線照射シミュレーション
DCHAINによる放射化量の評価
Table of contents
24
課題6
[t-dchain]セクションを設定して、DCHAIN用の
インプットファイルを作成しましょう。
Liniac.inp
• [volume]セクションを有効にする(”off”を消す)
• [t-dchain]セクションを有効にする(”off”を消す)
• [parameters]セクションにあるmaxbchを10に増
やして輸送計算を実行する
(中性子が発生していないとエラーになる)
[ T - D C H A I N ] off
$ must section for DCHAIN
title = X-ray generated by 15MeV electron
mesh = reg
reg = 11
file = dchain_e15MeV.out
timeevo = 2
領域メッシュによる指定
6.0 m 1.0
セル番号11: Au target
50.0 m 0.0
まずは、ビーム標的の放射化を調べる
outtime = 7
1.0 m
3.0 m
6分間電子線を照射して、その後50分間
6.0 m
冷却する場合を考える
10.0 m
20.0 m
30.0 m
ビーム標的における放射能(activityの強さ)の時間変化
40.0 m
(出力させたい時間を書き並べる)
・・・・・・
T-dchain
25
課題6の答え合わせ
[t-dchain]セクションを設定して、DCHAIN用の
インプットファイルを作成しましょう。
[t-dchain]により、***.dout, ***.dtrk, ***.dyldなどの
ファイルが作成されます。
dchain_e15MeV.out
DCHAIN用インプットファイル
htitle = X-ray generated by 15MeV electron
! --- control parameters --imode =
2
jmode =
2
・・・・・・
DUMMY**:
・・・・・・
・・・・・・
iregon =
1
!1)HRGCMM 2)IREGS 3)ITGNCLS 4)FLUXS 5)HNFLUXS
6)VOLUMES
DUMMY01
11 1 1.2763E+06 n.flux_01 1.0000E+00
Au-197
5.9021E-02
・・・・・・
・・・・・・
領域識別名称
放射化を評価する領域の構成物質
T-dchain
26
課題7
DCHAINを使ってビーム標的の放射化を評価
してみましょう。
• Dchain_e15MeV.outをインプットファイルとして
DCHAINを実行する。
Au標的に15MeVの電子線を6分間照射した場合に、
標的部分の放射能の時間変化はどうなるだろうか?
DCHAIN
27
課題7の答え合わせ
DCHAINを使ってビーム標的の放射化を評価
してみましょう。
dchain_e15MeV.eps(1枚目)
照射している360secまでは一定の値を示している。照射をストップし
た直後は急激に減少し、その後はまたほぼ一定の値を示している。
DCHAIN
28
課題7の答え合わせ
DCHAINを使ってビーム標的の放射化を評価
してみましょう。
dchain_e15MeV.act
・・・・・・
dominant nuclides (top 10)
-------------------------no. nuclide
[Bq/cc]
1
Au196m 1.0892E+08
2
Au196n
1.3029E+05
3
Au197m 5.6275E+04
4
Au196
1.5396E+04
5
Au198
6.4391E+00
6
Au198m 9.0545E-03
7
Pt197m
2.7532E-03
8
Ir194m
3.9630E-05
9
Pt197
7.9691E-07
10 Ir194
4.7782E-08
・・・・・・
83行目: t=60 secの結果
[Bq]
2.0702E+07
2.4764E+04
1.0697E+04
2.9263E+03
1.2239E+00
1.7211E-03
5.2333E-04
7.5328E-06
1.5148E-07
9.0823E-09
[%]
99.81
0.12
0.05
0.01
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
半減期8.1秒)は、
半減期が短いので応答(増加)が早い。
196Au原子核の準安定状態(Au196m:
DCHAIN
29
課題7の答え合わせ
DCHAINを使ってビーム標的の放射化を評価
してみましょう。
dchain_e15MeV.act
・・・・・・
dominant nuclides (top 10)
-------------------------no. nuclide
[Bq/cc]
1
Au196m 7.7587E+05
2
Au196n
7.7569E+05
3
Au196
1.0262E+05
4
Au198
3.8590E+01
5
Au198m 5.4252E-02
6
Pt197m
1.5759E-02
7
Au197m 5.4621E-04
8
Pt197
6.3452E-05
9
Ir194
2.8568E-07
10 Ir193m
1.0866E-08
364行目: t=600 secの結果
[Bq]
1.4747E+05
1.4744E+05
1.9504E+04
7.3351E+00
1.0312E-02
2.9954E-03
1.0382E-04
1.2061E-05
5.4302E-08
2.0654E-09
[%]
46.90
46.89
6.20
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
・ ・ ・ ・ ・ ・Au196mは半減期が短いので応答(減衰)が早いはずだが、
半減期9.6時間)が崩壊し
て生成されるので、平衡状態となって一定量が残る。
196Auの別の準安定状態(Au196n:
DCHAIN
30
課題8
DCHAINを使ってコリメーターやフラットニングフィル
ターに関しても放射化を評価してみましょう。
track_xz.eps(3枚目)
中性子のフルエンス
• /Au-target/フォルダにある
dchain_e15MeV.outをインプット
ファイルとしてDCHAINを実行す
る。
• ただし、/Linac/フォルダにある
dch_link.datを/Au-target/フォルダ
にコピーしてください。
DCHAINを実行するには、各領域における中性子の
フルエンスが十分にタリーされている必要があります。
今回は、予め計算しておいたPHITSの結果を使用して
放射化の評価を行いましょう。
DCHAIN
31
課題8の答え合わせ
DCHAINを使ってコリメーターやフラットニングフィル
ターに関しても放射化を評価してみましょう。
dchain_e15MeV.eps(1枚目)
DUMMY01: Au target
DUMMY02: Secondary collimator
DUMMY03: Primary collimator
DUMMY04: Flattening filter
照射している間はプライマリーコリメーターの領域が一番activityが高い。
しかし、照射を止めた後は、Au標的とフラットニングフィルターの領域が
放射能の起源となる。
DCHAIN
32
課題8の答え合わせ
DCHAINを使ってコリメーターやフラットニングフィル
ターに関しても放射化を評価してみましょう。
dchain_e15MeV.act
・・・・・・
dominant nuclides (top 10)
-------------------------no. nuclide
[Bq/cc]
1
W 183m 4.7990E+04
2
W 185m 1.0295E+01
3
Co 58m 3.0436E-02
・・・・・・
1423行目: DUMMY03におけるt=60 secの結果
[Bq]
8.8724E+07
1.9033E+04
5.6271E+01
[%]
99.98
0.02
0.00
・・・
・・・
・・・
・・・
DUMMY03: Primary collimatorの組成
(ただし、質量割合)
184W
90.5%
58Ni
6.5%
56Fe
3.0%
半減期5.2秒)が、
184Wと中性子の反応により生成される。
183W原子核の準安定状態(W183m:
DCHAIN
33
課題8の答え合わせ
DCHAINを使ってコリメーターやフラットニングフィル
ターに関しても放射化を評価してみましょう。
dchain_e15MeV.act
・・・・・・
dominant nuclides (top 10)
-------------------------no. nuclide
[Bq/cc]
1
Cu 62
2.4593E+04
2
Cu 64
6.8980E+02
3
Cu 66
5.8957E+01
・・・・・・
2346行目: DUMMY04におけるt=600 secの結果
[Bq]
4.7321E+05
1.3273E+04
1.1345E+03
[%]
97.05
2.72
0.23
・・・
・・・
・・・
・・・
DUMMY04: Flattening filterの組成
63Cu
69.17%
65Cu
30.83%
62Cu原子核(半減期9.74分)が、 63Cuと中性子の反応に
より生成される。
DCHAIN
34
課題9
ビーム標的を銅(Cu)に変更したシミュレーションを行い、
DCHAINを使って放射化を評価してみましょう。
track_xz.eps(3枚目)
中性子のフルエンス
• /Cu-target/フォルダにある
dchain_e15MeV.outをインプット
ファイルとしてDCHAINを実行す
る。
• ただし、/Linac/フォルダにある
dch_link.datを/Cu-target/フォルダ
にコピーしてください。
課題8の場合と同様に、予め計算しておいたPHITSの
結果を使用して放射化の評価を行いましょう。
DCHAIN
35
課題9の答え合わせ
ビーム標的を銅(Cu)に変更したシミュレーションを行い、
DCHAINを使って放射化を評価してみましょう。
dchain_e15MeV.eps(1枚目)
DUMMY01: Cu target
DUMMY02: Secondary collimator
DUMMY03: Primary collimator
DUMMY04: Flattening filter
照射している間はプライマリーコリメーターの領域が一番activityが高い
のはAu標的の場合と同じである。しかし、照射を止めた後のactivityは、
フラットニングフィルターの領域の方が高い。
DCHAIN
36
課題9の答え合わせ
ビーム標的を銅(Cu)に変更したシミュレーションを行い、
DCHAINを使って放射化を評価してみましょう。
dchain_e15MeV.act
・・・・・・
dominant nuclides (top 10)
-------------------------no. nuclide
[Bq/cc]
1
W 183m 2.7809E+04
2
W 185m 4.8298E+00
3
Co 58m 1.3229E-02
・・・・・・
1370行目: DUMMY03におけるt=60 secの結果
[Bq]
5.1413E+07
8.9294E+03
2.4457E+01
[%]
99.98
0.02
0.00
・・・
・・・
・・・
・・・
DUMMY03: Primary collimatorの組成
(ただし、質量割合)
184W
90.5%
58Ni
6.5%
56Fe
3.0%
半減期5.2秒)が、
主として生成されているのはAu標的と同じ。
183W原子核の準安定状態(W183m:
DCHAIN
37
課題9の答え合わせ
ビーム標的を銅(Cu)に変更したシミュレーションを行い、
DCHAINを使って放射化を評価してみましょう。
dchain_e15MeV.act
2290行目: DUMMY04に
おけるt=600 secの結果
350行目: DUMMY01に
おけるt=600 secの結果
・・・・・・
dominant nuclides (top 10)
-------------------------no. nuclide [Bq/cc]
[Bq]
1
Cu 62
6.0095E+05 1.1422E+05
2
Cu 64
1.2474E+04 2.3710E+03
3
Cu 66
1.4374E+02 2.7320E+01
・・・・・・
[%]
97.94
2.03
0.02
・
・
・
・
・・・・・・
dominant nuclides (top 10)
-------------------------no. nuclide [Bq/cc]
[Bq]
1
Cu 62
1.3568E+04 2.6108E+05
2
Cu 64
3.8874E+02 7.4802E+03
3
Cu 66
2.8651E+01 5.5130E+02
・・・・・・
[%]
97.02
2.78
0.20
・
・
・
・
フラットニングフィルター(DUMMY04)の方が62Cuの量は多いが、
Cu標的(DUMMY01)の方が体積あたりの量は多い。
DCHAIN
38
まとめ
• ビーム標的やコリメーター、フラットニングフィルターの
体系を作成し、リニアックのモデリングを行った。
• 15MeV電子を線源とするX線照射のシミュレーションを
行い、電子や光子の振る舞いを確認した。
• DCHAINを用いて、作成したリニアックの体系における
放射化を評価した。
• ビーム標的をAuからCuに変え、各領域の放射化がど
のように変化するかを調べた。
*本実習で使用したリニアックのモデリングは、
古賀総合病院の久峩尚也氏にいただいたデータ
を基にして行いました。
Summary
39
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医療応用実習:リニアックのモデリングと放射化量の評価